Введение

Обеспечение постоянного роста комплекса тактико-технических характеристик (ТТХ) изделий авиационной техники невозможно только за счет конструкторских решений, во многом существенный рост эксплуатационных показателей летательных аппаратов зависит от материалов, на основе которых изготавливаются их конструкции. Поэтому только постоянное развитие материаловедения может обеспечивать возможность непрерывного совершенствования авиации и ракетостроения.

Помимо роста ТТХ авиационной техники одним из первоочередных является вопрос их безопасной эксплуатации, в особенности если это касается пассажирских перевозок. Применительно к интерьерным материалам самолетов транспортной категории требования и нормы по пожаробезопасности значительно усовершенствованы и в настоящее время оформлены в виде Норм летной годности – Часть 25 (НЛГ-25) (рис. 1).

Рис. 1. Требования Норм летной годности (НЛГ) к интерьерным материалам в конструкциях самолетов и вертолетной техники

С учетом представленных требований НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ к середине 2010-х гг. обеспечивал рынок полным перечнем полимерных композиционных материалов (ПКМ) для изготовления элементов конструкций интерьера любого летательного аппарата в соответствии с предъявляемыми требованиями по пожаробезопасности. Для гражданских легких самолетов, а также вертолетов всех категорий использовался негорючий стеклотекстолит марки СТ-69Н-14, который обеспечивал высокий уровень физико-механических свойств. Однако данный материал изготавливали на основе растворного связующего ЭДТ-69Н, что снижало контроль и безопасность при производстве препрега-полуфабриката, а также не позволяло обеспечить высокий уровень эксплуатационных характеристик из-за наличия в образцах ПКМ воздушных включений [1–15].

Для самолетов транспортной категории, подчиняющихся требованиям НЛГ-25 (ранее АП-25), разработаны фенолформальдегидные связующие и ПКМ на их основе. Из наиболее активно применяемых – стеклотекстолит марки ВПС-39П на основе связующего РС-Н, из которого получали образцы ПКМ, характеризуемые как самозатухающие, с низким выделением дыма и тепла, что позволяло применять его для изготовления элементов интерьера самолетов Ил-96, Ту-204/214 и др. Однако в связи с тем, что связующее РС-Н являлось растворным, стеклотекстолит на его основе характеризовался низким уровнем стабильности характеристик и безопасности при производстве препрега, а из-за фенолформальдегидной природы связующего материал имел существенно более низкие физико-механические характеристики, в том числе в составе трехслойных конструкций интерьера.

В результате к 2022 г. отечественная авиационная отрасль имела интерьерные ПКМ, которые обеспечивали требования по пожаробезопасности, но отставали в части технологичности и уровня реализуемой прочности. В связи с этим, а также по запросам предприятий-разработчиков вертолетной техники в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработан современный комплекс материалов, необходимых для изготовления элементов вертолетной техники, к которой предъявляются требования по горючести в рамках НЛГ-29 и дымообразованию в рамках НЛГ-25. Для обеспечения требований по технологичности и уровню реализации прочности используемых наполнителей определен тип разрабатываемого связующего – расплавное эпоксидное. Требования к разрабатываемым ПКМ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Требования к разрабатываемым материалам

Тем не менее при разработке новых интерьерных материалов для вертолетной техники, прорабатывался вопрос доведения разрабатываемого комплекса материалов для применения в интерьерах самолетов транспортной категории.

В данной работе представлены результаты исследования нового расплавного эпоксидного связующего и свойства полученных стеклопластиков в части физико-механических характеристик и характеристик пожаробезопасности. Показаны также результаты исследования возможности доработки материала до соответствия требованиям НЛГ-25 по всем характеристикам пожаробезопасности.

Материалы и методы

В качестве исследуемых материалов использовали стеклопластики на основе двух композиций расплавного эпоксидного связующего и стеклянной ткани Т-10-14.

Методом дифференциальной сканирующей калориметрии по ГОСТ Р 55135–2012 определена температура стеклования.

Массовые доли летучих веществ и связующего в стеклопластике определены по ГОСТ 22456–77 и ГОСТ Р 56682–2015 соответственно.

Значения предела прочности и модуля упругости при растяжении получены по ГОСТ Р 56785–2015 при температуре 23 °С.

Определены характеристики пожаробезопасности стеклопластиков: горючесть – по ГОСТ 57924–2017, дымообразование – по ГОСТ 24632–81, тепловыделение – по НЛГ-25 (Приложение F, Часть IV).

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Для материалов, применяемых в интерьерах вертолетной техники, на первом этапе получены экспериментальные образцы связующего и определена температура их стеклования, °С:

После совмещения экспериментальных композиций 1 и 2 связующего и стеклянной ткани Т-10-14 методом контактного формования, изготовлены экспериментальные образцы стеклопластиков (методом прессования) и исследован комплекс их свойств (табл. 3).

Таблица 2

Свойства стеклопластиков

По результатам определения прочностных показателей установлено, что образцы стеклопластиков на основе экспериментальных композиций связующего имеют схожий уровень предела прочности при растяжении по сравнению со стеклотекстолитом марки СТ-69Н.

На следующем этапе проводили исследование горючести и дымообразования полученных стеклопластиков. Результаты испытаний стеклопластиков на основе экспериментальных композиций связующего приведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Характеристики горючести стеклопластиков

на основе экспериментальных композиций связующего и ткани Т-10-14

Таблица 4

Характеристики дымообразования стеклопластиков

на основе экспериментальных композиций связующего и ткани Т-10-14

По результатам проведенных исследований характеристик пожаробезопасности установлено, что образцы стеклопластиков на основе экспериментальных композиций связующего обеспечивают соответствие требованиям НЛГ-29 и НЛГ-25 по дымообразованию. Однако на основе разброса значений предела прочности при растяжении, а также на основе результатов определения горючести принято решение ‒ для дальнейших исследований использовать состав композиции 1.

С учетом выбранного состава разработана нормативная документация на изготовление и поставку связующего и препрега стеклопластика. Так, разработанному эпоксидному расплавному связующему присвоена марка ВС-77, а препрегу стеклопластика на его основе – ВПС-76, поставка которого осуществляется по ТУ 13.96.14-162-07545412–2024.

Для обеспечения широкого диапазона допустимых технологий переработки стеклопластика марки ВПС-76 определены реологические характеристики связующего в препреге и теплофизические характеристики препрега и выбраны технологические параметры формования стеклопластика методами вакуум-печного и вакуум-автоклавного формования, а также методом прямого прессования. Результаты исследования физических и прочностных характеристик, а также характеристик пожаробезопасности стеклопластика марки ВПС-76 представлены в табл. 5–7.

Таблица 5

Физические и прочностные характеристики стеклопластика марки ВПС-76,

изготовленного по различным технологиям формования

Таблица 6

Характеристики горючести стеклопластика

марки ВПС-76, изготовленного по различным технологиям формования

Таблица 7

Характеристики дымообразования стеклопластика

марки ВПС-76, изготовленного по различным технологиям формования

По результатам, представленным в табл. 5–7, можно сделать вывод, что разработанный стеклопластик марки ВПС-76 перерабатывается по основным препреговым технологиям с обеспечением одинакового уровня свойств и отвечает требованиям НЛГ-29 по горючести и НЛГ-25 по дымообразованию.

На следующем этапе методом прямого прессования изготовлены трехслойные сотовые панели на основе препрега стеклопластика марки ВПС-76 и полимерного сотового заполнителя ПСП-1-2,5, в том числе с заделкой торцов сферопластиком марки ВПЗ-26, за единый цикл (рис. 2) и проведены испытания на горючесть и дымообразование, результаты которых приведены в табл. 8 и 9.

Рис. 2. Трехслойные сотовые панели на основе экспериментальной композиции связующего

Таблица 8

Характеристики горючести трехслойных сотовых панелей

на основе экспериментальной композиции связующего

Таблица 9

Характеристики дымообразования трехслойных сотовых панелей

на основе экспериментальной композиции связующего

Трехслойные сотовые панели на основе композиции 1(как с заделанными торцами, так и без заделки торцовсферопластиком) по горючести соответствуют требованиям НЛГ-29. Полученные трехслойные сотовые панели по классификации относятся к самозатухающим. По дымообразованию такие панели без заделки торцов имеют удельную оптическую плотность дыма не более 200: при горении 162, а при пиролизе 141. Образцы с заделанными торцами при пиролизе соответствуют требованиям НЛГ-25, их удельная оптическая плотность дыма при пиролизе составляет 169, а при горении 365, что не соответствует требованиям НЛГ-25. Следует отметить, что на практике трехслойные сотовые панели с заделанными торцами при испытаниях на пожаробезопасность не применяются. Данные испытания панелей с заделанными торцами проведены для определения максимальных показателей по дымообразованию и получения сравнительных характеристик.

С учетом полученных результатов, полностью отвечающих изначальным требованиям к разрабатываемому материалу, рассмотрена возможность доработки стеклопластика марки ВПС-76 с целью доведения уровня его характеристик до полного соответствия требованиям НЛГ-25 в части пожаробезопасности. Из научно-технических литературных данных известно, что ПКМ на основе эпоксидных связующих не способны обеспечивать тепловыделение в пределах, допускаемых авиационными регуляторами по всему миру, будь то FAR-25 или НЛГ-25, а именно: общее количество выделяющегося тепла – не более 65 (кВт∙мин)/м² и пик тепловыделения – не более 65 кВт/м². В связи с этим наибольшее распространение как в РФ, так и за рубежом получили материалы на основе фенолформальдегидных связующих. Однако уровень реализации прочности наполнителя и комплекс эксплуатационных свойств ПКМ, а также технологичность полуфабриката на эпоксидных связующих будут всегда превышать по аналогичным показателям материалы на основе фенолформальдегидных связующих.

С использованием разработанных материалов и минеральной добавки получены экспериментальные образцы стеклопластика марки ВПС-76 и исследованы их характеристики пожаробезопасности (табл. 10).

Таблица 10

Характеристики пожаробезопасности экспериментального стеклопластика

марки ВПС-76, изготовленного с применением минеральной добавки,

в сравнении с материалами-аналогами

Полученные результаты демонстрируют возможность доработки состава препрегов на основе эпоксидного расплавного связующего ВС-77 (в частности препрега стеклопластика марки ВПС-76) для их дальнейшего применения в интерьерах самолетов транспортной категории.

Заключения

По результатам проведенных исследований разработан состав препрега стеклопластика марки ВПС-76. Отработаны основные технологические параметры переработки разработанного препрега и исследован комплекс характеристик стеклопластика, изготовленного по различным технологиям.

Показано, что разработанный стеклопластик марки ВПС-76 способен перерабатываться по всем основным промышленным технологиям с обеспечением единого уровня физических и прочностных характеристик, а также характеристик пожаробезопасности.

На основе разработанных материалов изготовлены трехслойные сотовые панели и исследован уровень их характеристик пожаробезопасности. Показано, что разработанные материалы позволяют изготавливать интерьерные конструкции для вертолетной техники, к которым предъявляются требования по горючести (НЛГ-29) и дымообразованию (НЛГ-25).

Исследована возможность доработки составов разработанных материалов с целью полного соответствия требованиям НЛГ-25 по характеристикам пожаробезопасности. Показано, что при использовании минеральной добавки стеклопластик на основе эпоксидного расплавного связующего способен обеспечить (помимо горючести и дымообразования) требования по тепловыделению.